不等流計算手順説明書（PDF）

　不等流計算（任意座標）説明書
1.計算式
水路中任意点の総水頭は上下流任意点の総水頭に、２点間におこった損失を 加えたものに等しい
とするベルヌーイの定理によって水面を追跡する。
hf+hg
hv2
hv
D2
D1
Z2
Z1
Ｚ1＋Ｄ1＋ｈv1＋ｈf＋ｈg＝Ｚ2＋Ｄ2＋ｈv2
Ｚ：基準面から水路底までの深さ(m)
Ｄ：水深(m)
ｈv:速度水頭(m)
ｈf:２点間におこった摩擦水頭損失(m)
ｈg:２点間におこったその他の水頭損失(m)
2
ｈv1＝Ｖ1 ／2ｇ ・α Ｖ1＝Ｑ／Ａ1
2
ｈv2＝Ｖ2 ／2ｇ ・α Ｖ2＝Ｑ／Ａ2
2
4/3
ｈf ＝1/2・{n1 /(Ｒ1
2
2
4/3
･Ａ1 )＋ｎ2 /(Ｒ2
2
2
･Ａ2 )}･Ｑ ・Ｌ
Ｒ＝Ａ／Ｐ
ここに、
2
Ａ：通水断面積(m )
3
Ｑ：流量(m /s)
Ｐ：潤辺長(m)
Ｒ：径深(m)
ｎ：粗度係数
α：平均流速の補正係数　0.95～1.10で通常1.0を用いる。
Ｌ：区間距離(m)
その他損失計算
注）その他の損失は土地改良事業の水路設計では用いることがありますが、一般の河道計画では考慮しないのが通例です。
一般河川では急縮・急拡などは、6.不等流計算の注意点に述べるように死水域の考えで考慮しています。
ｈg ＝ｈgc＋ｈge＋ｈse＋ｈsc+hgk
NO
1
式の説明
2
ｈge：漸縮損失＝0.2×(V1 /2g-V2 /2g)
2
ｈgc：漸拡損失＝0.3×(V2 /2g-V1 /2g)
3
ｈsc：急縮損失＝{0.4857-0.4857･(A1/A2)}×V1 /2g
4
ｈse：急拡損失＝(1-A2/A1) ×V2 /2g)
5
hgk：入力した値（K2）を使う式　例：K2*V2 /2g
2
2
2
2
2
2
2
フルード数の計算式
2
3 1/2
Ｆ＝｛Ｑ ・Ｔ／ｇＡ ｝
ただし、
Ｆ：フルード数
Ｔ：水面幅(m)
ｇ：重力加速度＝9.8
2.水流が分割する場合の計算
水流が分割して流下する場合、流下断面ごとに流積・潤辺を求め流量を計算します。
流速はそれぞれの断面ごとに異なりますが出力の簡素化のため合計流量を合計流積で
割り戻して表示します。またフルード数も合計した流積、水面巾、流量を用いて計算します。
流下面積
Ａ＝Σ（Ａ1+Ａ2+・・Ａn）
流量
Ｑ＝Σ（Ｑ1+Ｑ2+・・Ｑn）
流速
Ｖ＝Ｑ／Ａ
堤防高より低く設
定してください。
2
フルード数
3 0.5
Ｆ＝（Ｑ ・Ｔ/ｇ・Ａ ）
Ｑ1
Ｑ3
Ｑ2
分割される断面は最大40断面まで可能です。
3.常流計算と射流計算について
不等流計算の場合常流は下流水位に支配断面を持つため下流水位を設定し計算します。射流は逆に上流より計算します。
本プログラムは常流と射流の混合した計算をするため、いずれの場合でも断面は下流測点より入力します。
水路が常流か射流かは計算しないと解らない為、まず下流部より常流計算します。このときフルード数が1以下になる区間に
ついては限界水深Ｆ＝1として水面を追跡します。
次に上流よりＦ＝1の地点が見つかるたびに射流の計算を行います。
従って断面を入れ替えることなく常流と射流の混合した水面を追跡することができます。
常流
射流
常流
射流
常流
4.不等流計算手順
メニー画面
1
断面データ
計算結果
1
（1）
表 題
○○河川不等流計算
開始断面　ＮＯ＝
1
2.14K
（2）
終了断面　ＮＯ＝
始点水位①用　ＷＬ＝
収束水頭許容誤差
2.40K
15
40.379 ②射流用ＷＬ＝
0.00001 m
30 回
最大収束回数
平均流速補正係数α
1
(1) 断面データおよび計算結果ＮＯを入力します。ＮＯは1～3を選択できます。
このＮＯは シートバーの断面データ1,2,3及び計算結果1,2,3に対応しています。
(2) 新規データ作成の場合断面を初期化します。
(3) 断面データの入力
断面の入力は常流・射流とも下流断面から順に入力してください。
断面データの入力は(3-1)座標を画面で確認しながら入力する方法と(3-2)直接データシートに記入する方法を選択できます。
最初で慣れていない場合は画面入力の方がわかり易いと思います。
(3-1)　画面入力の場合
断面データ　：　登録するシートのＮＯです。
登録コード　：　断面にコードＮＯをつけて保存するものです。ＮＯは1から始まり180まで登録できます。
測　点　：　英数文字で自由に記入します。
区間距離　：　下流測点からの区間距離を入力、始点コードＮＯ1の場合は0になります。
水路底高　：　水路低高のところで2列セルがありますが、左は自動的に入力Ｙ座標値の最低高を表示します。この値でよければ
右セルは空欄にし、異なる場合のみ入力します。（断面形状が一定で水路底高だけ変化する場合に便利です。）
流　量　：　その測点の流量を指定します。
水位：計算結果水位を表示します。河川横断プロットの水位として利用します。
水位
45.123
●堤防高指定について
断面を堤防および提内地まで入力した場合は最深河床から左右それぞれ最も高い標高（左岸　Ｌ1、右岸　Ｒ1）を堤防高と判断し
ます。この位置と異なる位置（例題では左岸をＬ2に指定）を指定する時に入力します。
Ｌ1
断面データ
登録コードＮＯ
測点
区間距離(m)
水路底高EL(m)
流量(m3/s)
堤防高指定（左、右）
他損失ＮOと値
座標NO
1
円形断面の
2
場合はX1に
3
直径を入力
4
（図形は表
5
示しません）
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
1
9
40.800
45
X
0.000
4.000
6.000
8.000
8.200
12.000
14.000
14.000
24.000
24.000
26.000
30.000
30.500
32.500
36.600
Ｌ2
Ｒ1
断面形状
46.000
水位
45.123
2.29K
10 等流勾配
45
20 基本粗度
係数　ｎ
0.025
Y
n
43.000
45.000
45.100
45.000
44.800
42.800
42.800
40.800
40.800
0.030
42.800
42.800
44.800
44.800
45.600
45.600
45.000
44.000
43.000
42.000
41.000
40.000
0.000
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
35.000
39.000
40.000
●粗度係数について
粗度係数を合成する必要のない時は基本粗度係数のみ入力。合成する場合は基本粗度係数と異なる辺に粗度係数を入力。入
力例は河床X=9の場合の入力です。
計算式
ΣＳ・n3/2 ２/３
ｎ＝
ΣＳ
但し、Ｓ：辺の長さ
ｎ：辺の粗度係数
●水路底高について
最深河床座標を左側セルに表示します。これと異なる値を設定し断面をスライドさせる場合に右側に入力します。
上の例では最深水路高（座標40.8）をEL45.0に指定しています。同じ断面形が連続する場合などは座標を同じにして水路高を入力
することで簡素化できます。
●他損失ＮOと値についてはメニュー画面の補足説明ボタンを押し計算式を参照ください。（計算式は変更が可能です）
NO
式の説明
2
2
1
ｈge：漸縮損失＝0.2×(V1 /2g-V2 /2g)
2
ｈgc：漸拡損失＝0.3×(V2 /2g-V1 /2g)
3
ｈsc：急縮損失＝{0.4857-0.4857･(A1/A2)}×V1 /2g
4
ｈse：急拡損失＝(1-A2/A1) ×V2 /2g)
5
hgk：入力した値（K2）を使う式　例：K2*V2 /2g
2
2
2
2
2
2
●Ｘ、Ｙ座標で断面系を入力します。（最大150点）　標高によりグラフ表示の調整を
する場合はこのボタンで調整
水位
45.123
断面データの入力が終了しましたら、必ず断面登録ボタンをおして、登録します。（上のデータはシート断面データ1の7番目に登録されます。
●定形断面の入力
以下のような定形断面の場合、座標入力が容易に行えます。
形状寸法を入力しますとＸＹ座標を表示しますので、座標登録ボタンで断面登録画面に反映します。その他の入力項目を確認し登録します。
注）水路低高は入力しますと標高座標になりますが、入力せずに断面登録画面で水路低高を指定する（右のセル）方が解りやく、断面の入
れ替えなどの操作性がよいと思います。
（3-2）　直接シートに入力する場合
断面データ1～3のボタンを押しますとそのデータシートを表示しますので各項目を入力してください。
また（3-1）で入力した際もデータシートを確認ください。
●等流勾配について
等流水深を検討及び等流流下能力を計算しない場合は入力必要ありません。計算機では前測点の河床との勾配で設定します
が、逆勾配になる場合や等流勾配を別に設定する場合入力してください。
○○河川不等流計算水位縦断図
水路敷高
等流水面高
左岸堤防高
右岸堤防高
54.000
52.000
50.000
48.000
標高
46.000
44.000
42.000
40.000
38.000
逆勾配になる場合や等
流勾配を別に設定する
場合入力してください。
36.000
34.000
2100
2150
2200
2250
2300
追加距離
2350
2400
2450
（3-3）計画断面の作成
計画河床左側Ｘ座標、Ｙ座標および計画河床幅、左右の法勾配を入力すると現在表示断面（青）に対して計画河床幅を設定し
左右の勾配を入力し、断面作成ボタンをおすと自動的に現況断面との交点を計算し計画断面（ピンク）を作成します。
形状を確認し、正しければ座標置き換えボタンを押します。座標置換え後は青色部の現況座標は削除されます。
形状が正しく表示されない場合はキャンセルボタンをおしてください。
法勾配は勾配は上向きを+　下向きを-　水平の場合は9999999　とします。
Ｌ　：河床幅
Ｘ、Ｙ
（4）計算の実行
計算したい区間の開始断面ＮＯ　及び　終了断面ＮＯの入力します。
始点水位①用　： 下流水路の背水の影響がある場合は引継ぎ水位の値を入力します。
影響がなければ、一般的には等流水深、または落差工などの場合は限界水深を標高で入力します。
このプログラムは限界水深より低い水位を入力して計算すると自動的に限界水位を計算するようになっています
ので、水路低より少し高い水位を入力すれば限界水深で計算します。
②射流用　：
射流計算の始点水位（最上流部）を指定します。最上流部が限界水深（Ｆ＝１）の場合のみ有効になります。
①または②を実行して限界水深または常流水深を使用する場合は、空欄にします。　射流状態の等流水深など
を指定する場合に入力します。
収束水頭許容誤差は計算式の左辺と右辺のエネルギーの許容誤差で、この誤差以下になった場合に成立したものとみなします。　最大収束回数は計算式の成立する水深を仮定して試算して求めていますが、この仮定回数以下で収束しない場合は解がないもの
として処理します。30回程度で十分です。
1
断面データ
表 題
計算結果
1
○○河川不等流計算
開始断面　ＮＯ＝
1
終了断面　ＮＯ＝
2.14K
2.40K
15
始点水位①用　ＷＬ＝
収束水頭許容誤差
最大収束回数
平均流速補正係数α
40.379 ②射流用ＷＬ＝
0.00001 m
30 回
1
●計算開始
このプログラムは不等流状態での常流・射流について水面を追跡することができます。以下に計算手順をしめします。
①不等流計算（常流）
まず常流状態の計算を行います。常流計算は下流部に水深を与えてベルヌーイの定理により上流水深を求めます。例として図３－１を参
照すると平坦部では限界水深より高く上流状態での流れと解ります。急流部では限界水深を示しています。（①の計算は水位エネルギー
が収束しない場合は限界水深を設定します。）
射流部が連続していない場合（落差工などで1点だけならＯＫ）は計算終了です。
①不等流計算
(常流）
下流から計算し収束し
ない区間は限界水深
で上流へ計算します。
②限界水深
限界水深を計算しま
す。
③不等流計算
(射流）
射流の計算方法は次
の２とうりあります。
１．常流・射流が混在す
る場合は①を実行して
から計算します。
結果プレビュー
（印刷）
水位縦断図
２．全区間射流での検
討は②を実行してから
計算します。
④等流水深
最深河床勾配及び流
量より等流水深を計算
します。
河床勾配が逆勾配に
なる場合などは前後の
河床勾配を参考にして
等流勾配を断面デーダ
で指定してください。
以下の結果はまず②を実行し、結果をグラフに残すため貼付けボタンをおし、メニューに戻って①を実行したものです。
注）　②の限界水深の実行は今回説明のために実行しただけで特に計算する必要はありません。
今回の計算水位結果を表示しています。
始点距離の調整
この結果を残して次の計算水位と比較する場合は中央の貼り付け
ボタン押します。貼り付けは3ケースまで可能です。消去する場合は
クリアボタンをおします。
図4-1常流計算
●計算結果プレビュー
結果よりＦ＝１が連続しているため射流域が存在することが解ります。
常流：黒　限界水深：赤　射流：青
堤防を越える水位は赤で表示します。
③不等流計算（射流）
ケース１.常流と射流が混在する場合
図4－１のように常流と射流が混在する場合は①の実行後③を実行します。射流計算は上流から下流へ計算しますが断面データは
そのままでかまいません。計算は上流部の最初に見つかった限界水深をコントロールとして計算を開始し、常流状態の地点まで進
め、これを繰り返して水位を設定します。計算結果図4－２参照
図4－2　射流計算結果
○○河川不等流計算水位縦断図
水路敷高
不等流水面高(射流)
左岸堤防高
右岸堤防高
不等流水面高(常流)
53.000
51.000
49.000
47.000
標高
45.000
43.000
41.000
39.000
37.000
35.000
0
50
100
150
追加距離
青色の射流部が計算されます。
200
250
300
ケース２．常流と射流が混在しない場合
下流水位に影響されない場合は②で限界水深を計算した後③を実行します。
図4－3　射流計算結果
○○河川不等流計算水位縦断図
水路敷高
不等流水面高(射流)
左岸堤防高
右岸堤防高
限界水深
53.000
51.000
49.000
47.000
標高
45.000
43.000
41.000
39.000
37.000
35.000
0
50
100
150
200
250
300
追加距離
④等流水深
参考資料として等流水深を算出できます。この時の等流勾配は断面の入力参照。
図4－4　等流水深
○○河川不等流計算水位縦断図
水路敷高
不等流水面高(射流)
左岸堤防高
右岸堤防高
限界水深
不等流水面高(常流)
等流水面高
53.000
51.000
49.000
47.000
標高
45.000
43.000
41.000
39.000
37.000
35.000
0
50
100
150
追加距離
200
250
300
5.等流流下能力計算
設定断面に対して余裕高を指定し、等流流下能力を計算します。
以下はサンプル断面で余裕高を0にした場合と0.6にした場合を計算ものです。
余裕高0の計算値の貼付け
余裕高0.6ｍの場合の出力例
計画流量を2タイプ設定できます。
距離票と流量を入力
6.不等流計算の注意点
本プログラムでは水面を連続して追跡するため、堤防高を超える断面を左右に仮想点を設けて計算しています。
（1）水位が堤防高を超える場合の断面設定
従ってボックス断面や円形断面などの閉塞した断面で不等流及び等流計算を行う場合、水位が天端を超える計算は
圧力管となり開水路ではありませんので結果水位に注意ください。
水位が天端を越えるような場合は座標値を次のように開水路に修正すると連続して計算できます。　(水位が頂版を超える場合、頂版の1辺を取り除いた開水路として水位を算出し計算を自動的に続行します。）
（2）　死水域について
死水域は、河道の水面部分で流れのない場所、あるいは流れがあっても渦状の場所で流量の疎通に関係のない場所を
いいます。こうした死水域があると計算水面形に凹凸が生ずるのが普通で、計算水位誤差を生じますので、以下の角度
で取り除く必要があります。
河川砂防技術基準より
流れ
急縮
急拡
死水域
26°
5°
（3）橋脚部の断面設定
橋脚の影響を考慮する場合、水位上昇をドビッソン公式などで計算する場合もありますが、本プログラムでは橋脚断面を
そのまま入力して橋脚による断面縮小でロス計算とします。流下計算は2.で説明した水流を分割して計算します。
堤防高より低く設
定してください。
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
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質問やエラーが起こった場合は、早期解決のため、そのEXCELファイルを添付して
メールしてください。
ＷＥＢサイト管理者/責任者　花牟礼　mail to : [email protected]
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――